fabricación del módulo de turbinas para el sistema experimental de vórtice gravitacional

7/28/2019 fabricación del módulo de turbinas para el sistema experimental de vórtice gravitacional

http://slidepdf.com/reader/full/fabricacion-del-modulo-de-turbinas-para-el-sistema-experimental-de-vortice 1/10

Juan Peña#1, Jorge Luis Jaramillo#2

#1Profesional en formación, Universidad Técnica Particular de Loja.

#2 Docente de la EET, Universidad Técnica Particular de Loja.

Loja, Ecuador 2012.

1 [email protected], 2 [email protected]

Resumen — Se describe el proceso de fabricación de cinco

modelos experimentales de turbinas y del banco de soportea ser probadas en el tanque de vórtice gravitacional

instalado en el Laboratorio de Hidráulica del

Departamento de Geología, Minas, e, Ingeniería Civil de la

UTPL. Cada turbina ha sido diseñada como un mecanismo

especializado en la “extracción” de potencia mecánica

(torque y velocidad angular) del l vórtice gravitacional

inducido en el tanque.

Palabras claves — sistemas de hidrogeneración, sistemas

de hidrogeneración basados en vórtice gravitacional,

turbinas para sistemas de hidrogeneración basados en

vórtice gravitacional.

I. I NTRODUCCIÓN

Las turbinas hidráulicas transforman la energíacinética y potencial del agua, en energía mecánica en eleje que puede ser aprovechada directa (con cargasmecánicas) e indirectamente (generación deelectricidad). En las centrales hidroeléctricas la turbinaactúa como receptora y emisora de energía.

La performance de las turbinas incide directamente enel desempeño de una central hidroeléctrica basada envórtice gravitacional. Los técnicos procuran evitar eldesperdicio significativo en la transferencia de energía.

En este trabajo se describe el proceso de fabricaciónde cinco modelos experimentales de turbinas y del banco de soporte, cuyo diseño se describió en trabajosanteriores, que serán probados en el tanque de vórticegravitacional implementado en UTPL.

II. FABRICACIÓN DEL BANCO DE SOPORTE DE LAS

TURBINAS DEL SISTEMA

Las turbinas hidráulicas a ser instaladas en el tanquede vórtice gravitacional, requieren de un mecanismo

capaz de proporcionarles soporte mecánico, y, de una

herramienta para registro de la potencia mecánicadesarrollada.

Fig. 1. Modelo del banco de soporte mecánico del módulo deturbinas del sistema de hidrogeneración basado en vórticegravitacional. Diseño de los autores.

La Fig. 1 muestra el banco de soporte de turbinasdiseñado para el sistema, para cuya fabricación se

utilizó barras angulares L, tubos cuadrados, y, placas deacero. El conjunto es soportado por una base rectangular (ver Fig. 2, a) elaborada con tubos cuadrados de 4 cm,en cuyo interior existen un refuerzo para aumentar larigidez de la estructura, y, brindan soporte a la caja derodamientos (ver Fig.2, b).

Fabricación del módulo de turbinas para elsistema experimental de hidrogeneración

basado en vórtice gravitacional instalado enla UTPL



a.

b.

Fig. 2. Fabricación de la base rectangular del bloque de soportemecánico de las turbinas del sistema de hidrogeneración basado envórtice gravitacional. Fotografías de los autores.

El bloque de soporte de las turbinas descansa sobre el

tanque de vórtice a través de 4 barras angulares perpendiculares de 4 cm. En la parte superior del bloque de soporte y en interior de la caja derodamientos, se coloca 2 placas de acero de 6 mm (ver Fig. 3, a). En la caja de rodamientos se colocan laschumaceras (ver Fig. 3, b). En la Fig. 3, c se muestra elensamblaje provisional de la caja de rodamientos. Enesta fase se corrigen problemas de vibracionesrelacionadas a la excentricidad, producto de la nocoincidencia entre el eje central del árbol de la caja derodamientos y el eje central del árbol del tanque [1].

Para conectar rígidamente los árboles, y, asegurar latransmisión de movimiento entre ellos, se utilizó unacoplamiento rígido circular (ver Fig. 4) [2]. Lasturbinas se montan sobre el árbol del tanque.

a.

b.

c.

Fig. 3. Ensamblaje de la caja de rodamientos del bloque desoporte mecánico, y, del eje de las turbinas. Fotografías de losautores.



Fig. 4. Ensamblaje del acople rígido en el árbol de lacaja de rodamientos, a través de un prisionero.Fotografía de los autores.

Las Fig. 5 y 6 muestran el bloque de soporte mecánicocon la caja de rodamientos montada, y, la colocación deuna malla de protección y soporte en la parte superior del bloque.

Fig. 5. Vista del bloque de soporte mecánico con la caja derodamientos montada. Fotografía de los autores.

Fig. 6. Colocación de una malla de protecciónsobre el bloque de soporte. Fotografía de losautores.

Al bloque de soporte se aplicó una pintura base color gris, luego de la cual se colocó un terminado amarillo

Caterpillar (ver Fig.7).

a. Colocación de pintura base.

b. Bloque de soporte terminado.

Fig. 7. Pintado del bloque de soporte mecánico. Fotografíasde los autores.



III. FABRICACIÓN DE LOS MODELOS EXPERIMENTALES

DE TURBINAS DEL SISTEMA

A. Primer modelo de experimentación

El primer modelo experimental de turbina consta de 6

álabes, distribuidos a 60 grados alrededor de lacircunferencia del rodete (ver Fig.8).

Fig. 8. Vista 3D del primer modelo experimental de turbina para el sistema. Diseño de los autores.

Habitualmente, tanto el rodete como los álabes seconstruyen de aleaciones especiales de acero, pero en elmarco de este proyecto se empleó acero inoxidable. LaFig. 9 muestra la turbina terminada, mientras que la Fig.10 resume los principales momentos en su fabricación.

Fig. 9. Primer modelo experimental de turbina para el sistematerminado. Fotografía de los autores.

a. Rodete y álabes antes del ensamblaje.

b. Montaje de los álabes en el rodete de la turbina.

c. Ensamblaje final de la turbina utilizando cordonesde suelda.

Fig. 10. Etapas en la fabricación del primer modelo experimental deturbina para el sistema. Fotografías de los autores.



B. Segundo modelo de experimentación.

El segundo modelo experimental se montará sobre unrodete hueco de acero inoxidable, de 4 cm de diámetrointerno (ver Fig. 11), el cual se unirá al árbol de lasturbinas a través de un tornillo prisionero. En la parteinferior del rodete se montará 4 placas para soporte delos álabes.

Fig. 11. Vista 3D del segundo modelo experimental deturbina para el sistema. Diseño de los autores.

Los 4 álabes de la turbina se fabricaron con lámina deacero inoxidable de 2 mm, y se montaron con 90 gradosde inclinación respecto al radio del rodete, y, se unieronmediante utilizando tornillos galvanizados.

La Fig. 12 muestra la turbina terminada, mientras que

la Fig. 13 resume los principales momentos en sufabricación.

Fig. 12. Segundo modelo experimental de turbina para el sistematerminado. Fotografía de los autores.

a. Etapa de fabricación de los álabes.

b. Montaje de las placas de soporte de álabes sobreel rodete.

Fig. 13. Etapas en la fabricación del segundo modelo experimental deturbina para el sistema. Fotografías de los autores.

C. Tercer modelo de experimentación.

El tercer modelo experimental está conformado por unconjunto de 6 álabes, 1 rodete, y, un sistema deregulación que permite variar el ángulo de impacto delel flujo radial del vórtice gravitacional sobre los álabes(ver Fig. 14). El sistema de regulación se monta sobre

dos placas perforadas, de forma radial, dispuestas en losextremos del rodete, a las que se sujetan los álabes, y,que permiten variar el área en la que incide el agua.

La Fig. 15 muestra la turbina terminada, mientras quela Fig. 16 resume los principales momentos en sufabricación.



Fig. 14. Vista 3D del tercer modelo experimental deturbina para el sistema. Diseño de los autores.

Fig. 15. Tercer modelo experimental de turbina para el sistematerminado. Fotografía de los autores.

a. Fabricación de las placas radiales del sistema de regulación.

b. Fabricación de los álabes.

c. Montaje de las placas radiales sobre el rodete, y,ensamblaje de los álabes

Fig. 16. Etapas en la fabricación del tercer modelo experimental deturbina para el sistema. Fotografías de los autores.



D. Cuarto modelo de experimentación

El cuarto modelo experimental está conformado por 6álabes unidos al rodete mediante cordones de suelda(ver Fig. 17).

Fig. 17. Vista 3D del cuarto modelo experimental deturbina para el sistema. Diseño de los autores.


Fig. 15. Cuarto modelo experimental de turbina para el sistema

terminado. Fotografía de los autores.

a. Fabricación de los álabes.

b. Montaje de los álabes alrededor del rodete.

Fig. 19. Etapas en la fabricación del cuarto modelo experimental deturbina para el sistema. Fotografías de los autores.



E. Quinto modelo de experimentación.

Este modelo tiene 1 rodete y 16 álabes distribuidosradialmente. Cada álabe tiene una ligera curvatura (ver Fig. 20). Los álabes se montan en el rodete a través de 2discos. La estructura final luce como una jaula deardillas.

Fig. 20. Vista 3D del quinto modelo experimental deturbina para el sistema. Diseño de los autores.


Fig. 21. Quinto modelo experimental de turbina para el sistematerminado. Fotografía de los autores.

a. Fabricación de los álabes y del rodete de laturbina.

b. Ensamblaje de los álabes en los discos del rodete.

c. Montaje de la jaula de ardilla.

Fig. 22. Etapas en la fabricación del quinto modelo experimental deturbina para el sistema. Fotografías de los autores.



IV. FABRICACIÓN DEL SISTEMA DE REGISTRO DE

POTENCIA MECÁNICA GENERADA EN EL SISTEMA

Para registrar la potencia mecánica desarrollada por las turbinas, se decidió implementar un frenodinamométrico o freno de Prony (ver Fig.23). Estemecanismo aplica una carga progresiva en el árbol de la

caja de rodamientos (registrada por un dinamómetro), loque ocasiona la disminución progresiva de la velocidadangular (registrada por un tacómetro). El registroobtenido para las 2 variables permite obtener unaaproximación de la potencia efectiva transmitida por laturbina, como función del caudal incidente en los álabesde los modelos experimentales.

Fig. 23. Vista 3D del mecanismo de freno de Prony a construir.Diseño de los autores.

El freno de Prony propuesto, consta de un volantemontado sobre el eje del árbol de la caja derodamientos, sobre el que actúa un tambor de freno

provisto de un material de alto rozamiento (asbesto parafrenos). La fuerza de frenado se aplica sobre el volante,a través de un brazo, unido por un extremo al tambor, y,con un orificio en el extremo opuesto para colocar eldinamómetro. La Fig. 24 muestra las principales etapasen la construcción del mecanismo.

a. Fabricación del volante

b. Montaje del volante en el árbol de la caja derodamientos

c. Fabricación del tambor del freno de Prony.

d. Colocación de asbesto en el interior del tambor del freno.

e. Tornillo de ajuste del tambor del freno.

f. Vista en planta del brazo

Fig. 24. Etapas en la fabricación del freno de Prony. Fotografías de losautores.



El mecanismo se complementa con una baseconstruida con platinas de 3 cm, que permite la totaloperatividad del freno. El conjunto completo se recubriócon 2 capas de pintura.

V. I NSTALACIÓN DEL MÓDULO DE TURBINAS EN EL

SISTEMA DE HIDROGENERACIÓN BASADO EN VÓRTICE

GRAVITACIONAL.

La Fig. 25 muestra los modelos experimentales deturbinas terminados, La Fig. 26 presenta una vista

panorámica de la instalación del módulo de turbinas enel sistema de vórtice gravitacional montado en el bancohidráulico del Laboratorio de Hidráulica delDepartamento de Geología, Minas, e, Ingeniería Civilde la UTPL.

Fig. 25. Modelos experimentales de turbinas terminados. Fotografíade los autores.

a. Vista lateral de la instalación

b. Vista del freno de Prony para registro de potencia.

c. Montaje de una de las turbinas sobre el árbol deltanque.

Fig. 26. Instalación del módulo de turbinas en el sistema dehidrogeneración basado en vórtice gravitacional. Fotografías de losautores.

VI. CONCLUSIONES

Las turbinas representan una alternativasencilla, confiable, y, ambientalmenteamigable para la generación de energíamecánica a partir de energía cinética y

potencial del agua. El módulo de las turbinas (y los 5 modelos

experimentales) se diseñó de una manerasimple, lo que hizo posible su fabricación entalleres de mecánica industrial existente enla ciudad de Loja.

VII. R EFERENCIAS

[1] PROBLEMÁTICA DE LAS MEDICIONES DEVIBRACIONES A BORDO [Online]: Disponible en: ‹ http://cybertesis.uach.cl/tesis/uach/2006/bmfcia473p/doc/bmfcia473p.pdf › [Consultado el 14 de mayo del 2013].

[2] Acoplamientos entre elementos de transmisión[Online]: Disponible en:‹https://sites.google.com/site/358maquinas/acoplamientos-entre-elementos-de-transmision› [Consultado el 14 demayo del 2013].

Documents

fabricación del módulo de turbinas para el sistema experimental de vórtice gravitacional